สู่ดวงดาวด้วยเครื่องยนต์ขับดันไอออน

บทความโดย
รวิศ ทัศคร


 

          ช่วงสองเดือนมานี้ทุกคนก็คงได้ข่าวที่เมืองไทยเรามีแผนจะสร้างยานไปโคจรรอบดวงจันทร์ภายในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าแล้วใช่ไหมครับ

          หลายคนไม่เชื่อว่าไทยเราจะมีความสามารถในการสร้างจรวดขับดันเพื่อส่งยานอวกาศขึ้นวงโคจรได้ เพราะต้องมีการสั่งสมระดับความรู้ความชำนาญ และเทคโนโลยีมาพอสมควร จึงจะสามารถสร้างโครงการอวกาศใหญ่ๆ ได้ แต่สิ่งที่หลายคนเข้าใจผิดถนัดในครั้งแรกที่มีข่าวก็คือ เราจะสร้างจรวดนำส่งเอง ซึ่งอันที่จริงไม่ใช่ แต่แผนที่มีคือการพัฒนาสร้างยานอวกาศขนาดประมาณ 300 กิโลกรัม โดยมีน้ำหนักยาน 150 กิโลกรัม และน้ำหนักของซีนอนและก๊าซอีก 150 กิโลกรัม และอาศัยบริการของประเทศอื่นในการส่งขึ้นสู่วงโคจร จากนั้นจึงมุ่งหน้าสู่วงโคจรรอบดวงจันทร์ เพื่อเก็บและตรวจวัดข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ต่างๆ เพื่อนำมาศึกษาวิจัยต่อไป

          นั่นเป็นวิสัยทัศน์ของแนวคิดโครงการดังกล่าว ซึ่งไม่ว่าจะได้ผลความสำเร็จระดับใดในอนาคต แต่สิ่งที่น่าสนใจมาก คือหลักการเบื้องหลังของระบบขับเคลื่อนยานในอวกาศด้วยก๊าซซีนอน ว่าระบบขับเคลื่อนแบบนี้ หรือแบบใกล้เคียงกันมีหลักการทำงานอย่างไร เรามาลองชมกันดูเลยครับ

เครื่องยนต์ขับดันพลังไอออนคืออะไร?

ภาพจาก 
https://en.wikipedia.org/wiki/Gridded_ion_thruster

          การเดินทางในอวกาศเป็นระยะเวลานาน ไม่อาจใช้เครื่องยนต์ที่อาศัยการเผาไหม้เชื้อเพลิงจรวดตามปกติเนื่องจากแม้จะให้อัตราการเร่งที่สูง แต่เชื้อเพลิงก็จะโดนเผาไหม้หมดในระยะเวลาไม่นาน แต่เครื่องยนต์ขับดันพลังไอออน (ion  propulsion) หรือ ion drive แม้จะมีอัตราเร่งที่ต่ำมาก และมีแรงขับดันค่อนข้างน้อย แต่สามารถเดินเครื่องได้เป็นเวลานาน หลักการทำงานคือการทำให้ก๊าซในสภาพเป็นกลางเกิดการแตกตัวเป็นไอออนด้วยการยิงด้วยอิเลกตรอน ทำให้เกิดกลุ่มก๊าซประจุบวก ซึ่งจะถูกเร่งความเร็วโดยอาศัยแรงคูลอมบ์ (coulomb force) ที่เป็นแรงดูดหรือผลักกันทางไฟฟ้าตามสนามไฟฟ้า ท้ายสุดอิเลกตรอนที่เก็บไว้ชั่วคราวจะถูกเติมกลับเข้าไปในพวยก๊าซไอออน โดยใช้อุปกรณ์ที่ชื่อว่า neutralizer หลังจากผ่าน electrostatic grid ทำให้ก๊าซที่ถูกเร่งความเร็วในสนามไฟฟ้าแล้วนั้น พุ่งออกไปอย่างรวดเร็ว ด้วยความเร็วสูงถึง 20–50 กิโลเมตรต่อวินาที โดยใช้พลังงานป้อนในช่วง 1–7 kW

          เนื่องจากเครื่องยนต์ขับดันพลังไอออน สามารถทำงานอย่างต่อเนื่อง ความเร็วสุดท้ายของยานอวกาศที่นำมันไปใช้จึงเร็วมาก เพราะในอวกาศแทบจะปราศจากแรงเสียดทาน แม้ว่าแรงขับดันที่ได้ จะมีน้อยนิดเทียบได้กับความรู้สึกของเรา ต่อน้ำหนักของกระดาษ A4 หนึ่งแผ่นที่วางเอาไว้บนมือเท่านั้นเอง

การก่อเกิดแห่งตำนาน …

คอนสแตนติน ซีออลคอฟสกี
ภาพจาก https://twitter.com/RusArtCulture/status/777153269617586176/photo/1

          คนแรกที่เขียนแนวคิดของเครื่องยนต์ขับดันพลังไอออนคือ คอนสแตนติน ซีออลคอฟสกี (Konstantin Tsiolkovsky) นักวิทยาศาสตร์ด้านจรวดของสหภาพโซเวียต และผู้บุกเบิกศาสตร์ด้านวิศวกรรมอวกาศ และการบินอวกาศ โดยเสนอขึ้นในปี ค.ศ.1911 โดยเทคนิคนี้เขาแนะนำให้ใช้งานที่ระดับความสูงมากๆ ที่มีสภาวะใกล้เคียงสุญญากาศ แต่ลำไอพ่นใช้กระแสอากาศที่แตกตัวเป็นประจุที่ความดันบรรยากาศ

          แนวคิดนี้เกิดขึ้นอีกครั้งในหนังสือชื่อ Wege zur Raumschiffahrt (Ways to Spaceflight) ตีพิมพ์ในปี ค.ศ.1923 ซึ่งเขียนโดย แฮร์มัน ยูลีอุส โอแบร์ท (Hermann Julius Oberth) ซึ่งได้รับเกียรติเป็นหนึ่งในสามของบิดาของวิทยาการด้านจรวดร่วมกับคอนสแตนติน ซีออลคอฟสกี และ โรเบิร์ต กอดเดิร์ด ซึ่งอธิบายความคิดของเขาเกี่ยวกับเรื่องนี้ และทำนายว่าจะมีการใช้งานในการขับเคลื่อนยานอวกาศ และการควบคุมความสูง และการเร่งความเร็วของก๊าซมีประจุที่มีการสนับสนุนการทำงานด้วยไฟฟ้าสถิต

แวร์นแฮร์ ฟ็อน เบราน์
ภาพจาก
 https://sco.wikipedia.org/wiki/Wernher_von_Braun

          ในช่วงที่สงครามโลกครั้งที่สองยุติลงในปี ค.ศ.1945 แวร์นแฮร์ ฟ็อน เบราน์ (Wernher von Braun) วิศวกรจรวดแห่งกองทัพนาซี ผู้เป็นลูกศิษย์ของแฮร์มัน ยูลีอุส โอแบร์ท เขาเคยออกแบบสร้างจรวดมิสไซส์วี-2 ที่เป็นอาวุธลับสุดยอดที่ล้ำหน้ากว่าฝ่ายสัมพันธมิตรไปหลายสิบปี ได้มอบตัวต่อฝ่ายอเมริกา ซึ่งเล็งเห็นประโยชน์ของนักวิทยาศาสตร์ และวิศวกรนาซี จึงรับเขาเข้าไปพัฒนาวิทยาการจรวดต่อที่ฐานทัพ Fort Bliss ในยุทธการ Operation Paperclip ซึ่งเป็นแผนงานของทางฝั่งอเมริกันในการอ้าแขนรับมันสมองชั้นหัวกะทิเหล่านี้เข้าไปทำงานกับฝั่งตน

เออร์เนสต์ สตูลิงเกอร์
ภาพจาก https://www.wired.com/2012/04/ernsts-ions-week-concludes-nerva-ion-mars-mission-1966/

          ซึ่งในตอนนั้น ฟ็อน เบราน์ มีความฝันที่จะพัฒนาจรวดที่สามารถเดินทางไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่นได้ จึงเข้าไปพบกับ เออร์เนสต์ สตูลิงเกอร์ (Ernst Stuhlinger) เป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านปรมาณู ไฟฟ้า และวิทยาการจรวดชาวเยอรมันเช่นกัน ซึ่งเป็นสมาชิกของทีมพัฒนาจรวดดั้งเดิมของเขาในสมัยสงครามซึ่งถูกสหรัฐอเมริการับตัวมาทำงานในองค์การนาซ่าเช่นกัน เพื่อให้ลองทบทวนงานวิจัยของ ยูลีอุส โอแบร์ท ผู้เป็นอาจารย์ของเขา

          ฟ็อน เบราน์ กล่าวกับสตูลิงเกอร์ไว้ในปี ค.ศ.1947 ว่า ข้อเสนอของศาสตราจารย์โอแบร์ท หลายอันถูกต้อง และเขาไม่แปลกใจเลยหากเราจะบินไปดาวอังคารด้วยการขับเคลื่อนด้วยระบบไฟฟ้า

          ซึ่งหลังจากนั้นสตูลิงเกอร์ก็ได้ง่วนอยู่กับความสนใจในเรื่องทฤษฎีการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า  จนไปพบกับสำเนาของหนังสือเล่มหนึ่งของศาสตราจารย์โอแบร์ทเข้า ที่ชื่อว่า “Possibilities of Space Flight” ตีพิมพ์ในปี ค.ศ.1939 ซึ่งศาสตราจารย์ได้อุทิศบทหนึ่งในหนังสือเล่มนั้นให้กับโจทย์ปัญหาต่างๆ หลายข้อเกี่ยวกับระบบขับดันพลังงานไฟฟ้า โดยสาธิตให้เห็นการออกแบบแบบหนึ่งในนั้นที่สามารถขับดันจรวดได้ถึงระวาง 150 ตันทีเดียว

          นอกจากนี้สตูลิงเกอร์ยังได้เรียนรู้อีกว่า โรเบิร์ต กอดเดิร์ด เองก็ได้เคยกล่าวเกี่ยวกับการเร่งอนุภาคมีประจุให้มีความเร็วสูงมากได้ โดยไม่ต้องใช้อุณหภูมิสูงเอาไว้ตั้งแต่ปี ค.ศ.1906 มาแล้ว หลังจากนั้นในปี ค.ศ.1955 สตูลิงเกอร์ก็ได้นำเสนอผลงานวิจัยที่การประชุมการบินอวกาศนานาชาติ (International Astronautical Congress) ในกรุงเวียนนาในหัวข้อความเป็นไปได้ของระบบขับดันยานอวกาศด้วยพลังงานไฟฟ้าอีกด้วย นอกจากนี้เขายังได้พัฒนาระบบนำทางกับทีมของฟ็อน เบราน์ ให้กับกองทัพสหรัฐฯ อีกด้วย

แฮโรลด์ อาร์. คอฟแมน
ภาพจาก
 https://www.nasa.gov/feature/dr-harold-r-kaufman/

          ระบบขับดันพลังไอออนที่ใช้งานจริงจังนั้น มีการพัฒนามาตั้งแต่ทศวรรษที่ 50 โดย แฮโรลด์ อาร์. คอฟแมน (Harold R. Kaufman) ซึ่งทำงานให้กับศูนย์วิจัย Glenn โดยองค์การนาซาได้สร้างมันขึ้นจนสำเร็จในปี ค.ศ.1959

          เครื่องไอพ่นขับดันไอออนด้วยไฟฟ้าสถิตที่เขาสร้างนี้ มีแหล่งกำเนิดไอออนขนาดกะทัดรัดเขาตั้งชื่อมันว่า Kaufman Ion Source โดยอาศัยหลักการยิงด้วยอิเลกตรอน ซึ่งเป็นการดัดแปลงแบบมาจากเครื่อง Duoplasmatron พัฒนาขึ้นในปี ค.ศ.1956 โดย ศาสตราจารย์ แมนเฟร็ด วอน อาร์เด็นน์ (Manfred von Ardenne)

          แรกเริ่มเดิมทีเจ้าเครื่อง Duoplasmatron นั้นพัฒนาขึ้นมาใช้เป็นแห่งกำเนิดไอออนสำหรับป้อนเครื่องวิเคราะห์สารด้วยเทคนิค Mass spectrometry เท่านั้น โดยมีเป้าหมายในการเพิ่มระยะเวลาในการให้กำลังขับดันยานอวกาศในการสำรวจอวกาศห้วงลึก รวมถึงเป้าหมายในการใช้งานเชิงพานิชย์ในการปรับวงโคจรของดาวเทียมแบบต่างๆ ซึ่งนาซาได้ประเมินเอาไว้ว่าระบบนี้มีประสิทธิภาพที่ดีกว่าจรวดเชื้อเพลิงเหลวถึงสิบเท่า

          หลังจากนั้นองค์การนาซาที่สาขาศูนย์การบินอวกาศมาร์แชล (NASA Marshall) ก็ได้พัฒนากระบวนการที่อะตอมของธาตุซีเซียมจะแตกตัวเป็นไอออน เมื่อสัมผัสกับพื้นผิวของโลหะทังสเตน (tungsten) หรือธาตุรีเนียม (Rhenium) ที่ร้อน แล้วจึงได้ตกลงเซ็นสัญญากับห้องปฏิบัติการวิจัย Hughes Research Laboratory ในมาลิบู ให้พัฒนาเครื่องยนต์ขับดันไอออนขึ้น ซึ่งเครื่องต้นแบบก็ได้พร้อมสาธิตในวันที่ 27 กันยายน ค.ศ.1961 ที่ห้องปฏิบัติการวิจัยในมาลิบู ซึ่งตัวของ เออร์เนสต์ สตูลิงเกอร์เอง ก็ได้ร่วมเป็นสักขีพยานในการทดสอบนี้ด้วย โดยได้สังเกตเครื่องยนต์ทำงานในห้องสุญญากาศ ที่ทำเพื่อให้สภาวะเหมือนกับที่เครื่องยนต์จะประสบในอวกาศ

          อย่างไรก็ตามหลังจากนั้นนาซาก็ได้พักโครงการนี้ไว้ เพราะกำลังเร่งภารกิจที่จะส่งมนุษย์ไปดวงจันทร์ในยุคแข่งขันด้านอวกาศกับสหภาพโซเวียต ด้วยจรวดที่ทำงานด้วยระบบการเผาไหม้เชื้อเพลิงเคมีตามปกติ จึงมอบหมายงานอื่นให้กับทีมของสตูลิงเกอร์ทำ

ภาพจาก https://sec353ext.jpl.nasa.gov/ep/multimedia.html

          กาลเวลาล่วงเลยมาอีกนาน มาจนถึงช่วงต้นทศวรรษที่ 90 ซึ่งเป็นยุคที่ห้องปฏิบัติการแรงขับเคลื่อนไอพ่นของนาซ่า (Jet Propulsion Lab, JPL) ได้มีชื่อเสียงเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลาย ทาง JPL จึงร่วมกับนาซาที่ศูนย์ลูอิส (NASA Lewis) ในโครงการ Solar Electric Power Technology Applications Readiness (NSTAR) เพื่อพัฒนาเครื่องยนต์ขับดันไอออนที่ใช้กาซซีนอนขึ้น และได้ประสบความสำเร็จในการทดสอบเครื่องต้นแบบในปี ค.ศ.1996 ซึ่งทำงานได้กว่า 8,000 ชั่วโมง ซึ่งผลการทดสอบนี้ได้ถูกนำไปออกแบบอุปกรณ์สำหรับใช้กับยานสำรวจ Deep Space 1 ของ JPL และยานอวกาศ DAWN ในเวลาต่อมา นอกจากนี้ยังเคยถูกใช้ในยาน SMART-1 ขององค์การอวกาศยุโรป ที่ออกแบบโดยประเทศสวีเดน ซึ่งเดินทางไปโคจรรอบดวงจันทร์ และยานฮายาบูสะ (Hayabusa) 1 และ 2 ขององค์การสำรวจอวกาศประเทศญี่ปุ่นในปัจจุบันอีกด้วย

          เทคโนโลยีขับดันด้วยไอออนจึงไม่ใช่แนวคิดใหม่อย่างที่เข้าใจกันแต่อย่างใด หากเป็นเทคโนโลยีที่ผ่านการพัฒนามายาวนาน และได้พิสูจน์แล้ว ถึงการนำเอาไปใช้งานในทางปฏิบัติสำหรับการขับเคลื่อนยานอวกาศต่างๆ ในปัจจุบัน

          ในบทความตอนหน้า เราจะมากล่าวกันต่อไปถึงหลักการทำงานของระบบขับดันไอออนแบบต่างๆ และแนวคิดของระบบขับเคลื่อนของยานสำรวจระหว่างดาวฤกษ์ในอนาคตกันนะครับ โปรดติดตามตอนต่อไปครับ

ครั้งหนึ่ง..ธงชาติไทย เคยไปเยือนวงโคจรรอบดวงจันทร์


          หากย้อนเวลากลับไปราวครึ่งศตวรรษ ในโครงการอพอลโล ธงชาติไทยได้ขึ้นไปกับยานอพอลโล 15 ในระหว่างวันที่ 26 กรกฎาคม–7 สิงหาคม พ.ศ.2514 พร้อมกับบรรดาธงชาติจากประเทศต่าง ๆ ซึ่งหลังจากนั้นอีก 39 ปีต่อมา อัลเฟรด เอ็ม วอร์เดน ซึ่งเป็นนักบินผู้บังคับยานที่เป็นยานโคจรรอบดวงจันทร์ก็ได้เซ็นชื่อเอาไว้บนผืนธงชาติต่างๆ เหล่านั้น และนำออกประมูล

          ซึ่งคุณ พฤติพล ประชุมผล ผู้อำนวยการ “พิพิธภัณฑ์ธงชาติไทย” ได้ติดตามหลักฐานทางประวติศาตร์ชิ้นนี้กลับคืนมา เพื่อเป็นส่วนหนึ่งของหน้าประวัติศาสตร์ด้านอวกาศของไทยสืบไป ว่าครั้งหนึ่งธงชาติของเราได้ขึ้นไปสู่อวกาศไกลออกไปถึงวงโคจรรอบดวงจันทร์ .. และหวังว่าครั้งต่อไปจะมาถึง ด้วยน้ำพักน้ำแรงของชาติเราเอง หากโครงการส่งยานสำรวจขนาดเล็กไปดวงจันทร์ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าประสบความสำเร็จไปด้วยดี

ติดตามอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับธงผืนประวัติศาสตร์นี้ ได้ที่
https://www.bangkokbiznews.com/news/detail/484661
https://www.museumthailand.com/th/museum/Thaiflag

แหล่งข้อมูลสำหรับอ่านเพิ่มเติม
https://web.archive.org/web/20100327120759/
http://science.nasa.gov/newhome/headlines/prop06apr99_2.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Ion_thruster#Origins
https://www.nasa.gov/centers/glenn/about/fs21grc.html